自然環境の時空間変動を評価するバイオマーカー探索技術の創製

2014 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25513012
• 研究機関: 独立行政法人理化学研究所
• 研究代表者: 菊地 淳 独立行政法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, チームリーダー (00321753)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 複合微生物叢 / バイオマス / 栄養代謝 / 微生物発酵 / データ駆動型アプローチ / NMR / 元素分析 / ネットワーク解析

研究実績の概要

日本は世界第４位の排他的経済水域体積を有するとされ、高低差の激しさや南北からの豊かな潮流の恩恵を受け、生物多様性のホットスポットとなっている。この多様性豊かな水産資源は世界無形文化遺産・和食の礎を支え、なおかつ世界でも健康嗜好より広く流通しつつある。つまり魚介類や海藻類、さらにはこれらを育む海洋環境には重要課題が山積していると言える。特に食と環境の課題に着目すれば、飲食物の呈味が産地によって異なることは、暗黙知として我々が経験的に感じていることである。しかし、例えばジュースやワインの場合はそのままNMR計測し、データベース化を推進しスペクトルの多変量解析を行うことで、僅か25種程度の代謝物組成の違いで産地判別が可能なことが報告されている。そこで我々は、類似のアプローチを魚類や海藻類といった水産物に適用可能かもしれないと着目した。
一方で、産地毎の化学的特性がどのような要因に起因するか掘り下げて分析することは、かなり挑戦的な課題と思われる。我々は着目する環境中から採取した各種生物および地理学的試料から、未精製試料を各種分析機器で得たビッグデータを統合解析し、時空間の特徴抽出を行う手法を構築してきた。現在までに、河口底泥, 水中プランクトン、魚類と腸内細菌叢、海藻類について、有機物群、無機物群および微生物群集の分析データをビッグデータとして取得し、データ駆動型アプローチによりトレンドを鳥瞰的に捉え、サンプリングした地域の栄養特性に伴う微生物叢や化学組成変化といった特徴抽出を行うことができた。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

上述のように解析技術高度化自体は順調に進んでおり、また野外試料を採取した解析データの論文化も順調と言える。

今後の研究の推進方策

定期的・継続的な野外試料採集を遂行しつつ、上述の解析技術高度化と組み合わせてアウトプットに結び付けていきたい。既に海藻類、底泥、魚類では成果が出始めており、予想以上の野外試料解析の展開としては農場育成試料も論文化できた。今後は養殖場試料についても展開していく予定である。

次年度使用額が生じた理由

データベースの構築やwebツールの開発に携わるアルバイト学生の雇用を、一部最終年度に廻すことにした。学生アルバイト代金なので少額ではあるが、一部を残余金として最終年度に廻した。

次年度使用額の使用計画

主に謝金および旅費に使用予定。

研究成果

• [雑誌論文] Profiling contents of water-soluble metabolites and mineral nutrients to evaluate the effects of pesticides and organic and chemical fertilizers on tomato fruit quality (2015)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, M., Ohta, Y., Sun, L., Motoyama, N. and Kikuchi, J.
  • 雑誌名: Food Chem. 巻: 169 ページ: 387-395
  • DOI: 10.1016/j.foodchem.2014.07.155
  • 査読あり
• [雑誌論文] A NMR-based, non-targeted multistep metabolic profiling revealed L-rhamnitol as a metabolite that characterised apples from different geographic origins (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomita, S., Nemoto, T., Matsuo, Y., Shoji, T., Tanaka, F., Ono, H., Kikuchi, J., Ohnishi-Kameyama, M. and Sekiyama, S.
  • 雑誌名: Food Chem. 巻: 174 ページ: 163-172
  • DOI: 10.1016/j.foodchem.2014.11.028
  • 査読あり
• [雑誌論文] Human metabolic, mineral and microbiota fluctuations across daily nutritional intakes visualized by data-driven approach (2015)
  • 著者名/発表者名: Misawa, T., Date, Y. and Kikuchi, J
  • 雑誌名: J. Proteome Res. 巻: 14 ページ: 1526-1534
  • DOI: 10.1021/pr501194k
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Pretreatment and integrated analysis of spectral data reveal seaweed similarity based on chemical diversity (2015)
  • 著者名/発表者名: Wei, F., Ito, K., Sakata, K., Date, Y. and Kikuchi, J.
  • 雑誌名: Anal. Chem. 巻: 87 ページ: 2819-2826
  • DOI: 10.1021/ac504211n
  • 査読あり
• [雑誌論文] Srengthening of the intestinal epithelial tight junction by Bifidobacterium bifidum (2015)
  • 著者名/発表者名: Hsieh, C.-Y., Osaka, T., Moriyama, E., Date, Y., Kikuchi, J. and Tsuneda, S.
  • 雑誌名: Physiol. Rep. 巻: 3 ページ: e12327
  • DOI: 10.14814/phy2.12327
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Introduction of chemically labile substructures in Arabidopsis lignin through the use of the Ca dehydrogenase from Sphingobium sp. Strain SYK-6 (2015)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi, J (22中15番目)
  • 雑誌名: Plant Biotechnol. J. 巻: - ページ: in press
  • DOI: 10.1111/pbi.12316
  • 査読あり
• [雑誌論文] Changes in lignin and polysaccharide components in 13 cultivars of rice straw following dilute acid pretreatment as studied by solution-state 2D 1H-13C NMR (2015)
  • 著者名/発表者名: Teramura, H., Sasaki, K., Oshima, T., Aikawa, S., Matsuda, F., Kawaguchi, H., Ogino, C., Yamazaki, M., Shirai, T., Okamoto, M., Kikuchi, J. and Kondo, A
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: - ページ: in press
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparative analysis of chemical and microbial profiles of estuarine sediments sampled from Kanto and Tohoku regions in Japan (2014)
  • 著者名/発表者名: Asakura, T., Date, Y. and Kikuchi, J
  • 雑誌名: Anal. Chem. 巻: 86 ページ: 5425-5432
  • DOI: 10.1021/ac5005037
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Multiple omics uncovers host-gut microbial mutualism during prebiotic fructooligosaccharide supplementation (2014)
  • 著者名/発表者名: Kato, T., Fukuda, S., Fujiwara, A., Suda, W., Hattori, M., Kikuchi, J. and Ohno, H..
  • 雑誌名: DNA Res. 巻: 21 ページ: 469-480
  • DOI: 10.1093/dnares/dsu013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metabolomic profiling of 13C-cellulose digestion in a lower termite: insights into symbiont function (2014)
  • 著者名/発表者名: Tokuda, T., Tsuboi, Y., Kihara, K. Saito, S. Moriya, S. Lo, N. and Kikuchi, J
  • 雑誌名: Proc. Royal Soc. B 巻: 281 ページ: 20140990
  • DOI: 10.1098/rspb.2014.0990
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Comparative metabolomic and ionomic approach for abundant fishes in estuarine environments of Japan (2014)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, S., Date, Y. and Kikuchi, J
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 4 ページ: 7005
  • DOI: 10.1038/srep07005
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Chemical profiling of Jatropha tissues under different torrefaction conditions: application to biomass waste recovery (2014)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, T., Shino, A., Akashi, K. and Kikuchi, J.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 9 ページ: e106893
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0106893
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Biogeochemical typing of paddy field by a data-driven approach revealing sub-systems within a complex environment;A pipeline to filtrate, organize and frame massive dataset from multi-omics analyses (2014)
  • 著者名/発表者名: Ogawa, D., Moriya, S., Tsuboi, Y., Date, Y., Prieto, A., Bapista, G., Yamane, T. and Kikuchi, J
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 9 ページ: e110723
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0110723
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Multi-spectroscopic analysis of seed quality and 13C-stable-isotopologue monitoring in initial growth metabolism of Jatropha curcas L. using stable-isotope labeling (2014)
  • 著者名/発表者名: Komatsu, T., Oishi, R., Shino, A. Akashi, K. and Kikuchi, J
  • 雑誌名: Metabolites 巻: 4 ページ: 1018-1033
  • DOI: 10.3390/metabo4041018
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 安定同位体標識による生体分子混合物ならびに代謝経路解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 菊地淳
  • 雑誌名: 生物工学会誌 巻: 92 ページ: 100-109
• [雑誌論文] 食と代謝のメタボノミクス (2014)
  • 著者名/発表者名: 菊地 淳
  • 雑誌名: 実験医学 巻: 32 ページ: 699-705
• [雑誌論文] NMRにおけるイノベーション (2014)
  • 著者名/発表者名: 菊地 淳
  • 雑誌名: 生物工学会誌 巻: 92 ページ: 561
• [雑誌論文] NMRで挑む複雑系の分子宇宙 (2014)
  • 著者名/発表者名: 三澤拓真、伊藤研悟、菊地 淳
  • 雑誌名: 生物工学会誌 巻: 92 ページ: 504-510
• [雑誌論文] 複雑系高分子群に挑むバイオマスNMRの世界 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小松功典、菊地 淳
  • 雑誌名: 細胞工学 巻: 33 ページ: 843-849
• [雑誌論文] 分子複雑系 (2014)
  • 著者名/発表者名: 菊地 淳
  • 雑誌名: NMR 巻: 5 ページ: 78-82
• [雑誌論文] 食の来た道還る道 (2014)
  • 著者名/発表者名: 菊地 淳
  • 雑誌名: バイオインダストリー 巻: 31 ページ: 37-44
• [学会発表] Analysis of metabolite structure and its turnover by multi-dimensional NMR (2014)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi, J
  • 学会等名: Annotation and Identification of Small Biological Molecules
  • 発表場所: Gif-Sur-Yvitte, France
  • 年月日: 2014-10-23
  • 招待講演
• [学会発表] Analysis of microbial metabolism in the gut ecosystem (2014)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi, J
  • 学会等名: Korean Society for Biotechnolgy and Bioengineering
  • 発表場所: Gyeongjyu, Korea
  • 年月日: 2014-04-11
  • 招待講演
• [図書] セルロースナノファイバーの前処理、分散技術と応用事例 (2015)
  • 著者名/発表者名: 菊地 淳 （分筆）
  • 総ページ数: 244
  • 出版者: 技術情報協会
• [備考] 横浜市立大学大学院生命医科学研究科 生命分析科学研究室
  • URL: http://www.tsurumi.yokohama-cu.ac.jp/bas/publications2015.html